Вариаторы

В большинстве современных рабочих машин необходимо регулировать скорость исполнительных органов в зависимости от изменяющихся свойств обрабатываемого объекта, условий технологического процесса, загрузки машин и т. п. Для этого машины снабжают ступенчатыми коробками скоростей или механически регулируемыми передачами - вариаторами, которые обеспечивают плавное (бесступенчатое) изменение частоты вращения ведомого вала. Вариаторы позволяют установить оптимальный скоростной режим и регулировать скорость на ходу. Применение их способствует повышению производительности машины, качеству продукции, уменьшению шума и вибраций. Основной кинематической характеристикой любого вариатора является диапазон регулирования

,

где n_2max и n_2min – максимальная и минимальная частоты вращения ведомого вала;

u_max и u_min – максимальное и минимальное значения передаточного числа передачи.

Имеется большое количество различных типов вариаторов. Рассмотрим только схемы фрикционных вариаторов с непосредственным контактом – лобовые, торовые, дисковые и фрикционные вариаторы с гибкой связью – клиноременные.

Рисунок 10 - Лобовой вариатор.

Лобовой вариатор (рисунок 10) состоит из катков 1 и 2, установленных на взаимно перпендикулярных валах и прижатых один к другому пружиной сжатия. Вращение от ведущего вала к ведомому передаётся силой трения. Каток 1 соединён с ведущим валом длинной направляющей шпонкой. При перемещении его вдоль шпонки изменяется расстояние х от оси вращения ведомого вала, вследствие чего изменяется передаточное число u, а, следовательно, и частота вращения n₂.

Предельные значения передаточного числа:

;

.

Диапазон регулирования:

.

Если каток 1 передвинуть в положение А, то произойдёт изменение направления вращения ведомого вала (реверсирование). Лобовые вариаторы применяют в винтовых прессах и различных приборах.

Торовый вариатор (рисунок 11). Торовые чашки (сферические катки) 1 и 2 закреплены на концах валов. Вращение от ведущего вала к ведомому передаётся двумя роликами 3, свободно установленными на осях 4. Изменение частоты вращения n₂ ведомого вала достигается поворотом роликов вокруг шарниров 5. Ведущий вал вращается с постоянной частотой вращения n₁, а частота вращения n₂ может быть равна, больше или меньше n₁. Если оси роликов перпендикулярны осям валов, то n₂=n₁. При отклонении осей роликов влево, как показано на рисунке 7, n₂>n₁. А при отклонении вправо n₂<n₁. Изменение частоты вращения происходит потому, что при повороте изменяются радиусы контакта r₁ и r₂, а, следовательно, изменяется и передаточное число

.

Торовые вариаторы нормализованы для мощностей 1,5…2 кВт; диапазон регулирования 3…6,25.

Из всех вариаторов торовые наиболее компактны, имеют минимальное скольжение, но требуют высокой точности изготовления и монтажа.

Рисунок 11- Торовый вариатор.

Рисунок 12 - Дисковый вариатор.

Дисковый вариатор (рисунок 12) состоит из набора ведущих (9…21 и более) и ведомых стальных дисков, закалённых до твёрдости 51…61HRC_э. Вариатор работает в масле. Смазка уменьшает износ. Снижение коэффициента трения при смазке компенсируется увеличением числа дисков. Для уменьшения скольжения ведомым дискам придают коническую форму (конусность 1°30¢…3°). Изменение частоты вращения ведомого вала n₂ достигается перемещением ведущего вала 1 относительно ведомого 2 в радиальном направлении, при этом изменяется рабочий радиус r₂. Передаточное число

.

Тонкие стальные диски позволяют получить компактную конструкцию при значительной мощности (до 40 кВт). Диапазон регулирования Д£5.

Основной идеей конструкции дискового вариатора является увеличение числа точек контакта между фрикционными элементами. Это позволяет значительно снизить контактные давления, а вместе с этим и изнашивание дисков. Значительно снижается также сила прижатия пружины.

Рисунок 13 - Клиноременный вариатор.

1, 2 – регулируемые шкивы.

Клиноременный вариатор (рисунок 13). На параллельных валах попарно установлены раздвижные конические диски, из которых составлены два регулируемых шкива 1 и 2. Для связи шкивов применяют стандартные клиновые нормальные ремни и специальные клиновые широкие ремни. Изменение частоты вращения ведомого вала n₂ достигается изменением соотношения рабочих радиусов шкивов r₁ и r₂ путём одновременного осевого сдвигания дисков одного шкива и раздвигания дисков другого шкива на одну и ту же величину.

При принудительном сдвигании конических дисков ведомого вала ремень перемещается к наружному диаметру шкива 2 – рабочий радиус r₂ увеличивается. При этом происходит раздвигание дисков шкива 1, что позволяет ремню переместиться к оси шкива – рабочий радиус r₁ уменьшается. В этом случае частота вращения n₂ увеличивается. Для её уменьшения надо раздвигать диски шкива 2 и сдвигать диски шкива 1. При регулировании n₂ длина ремня не изменяется.

Предельные значения передаточного числа:

;

.

Диапазон регулирования Д зависит от ширины ремня. Клиновые ремни нормальных сечений позволяют получить Д=1,3…1,8. Наиболее перспективными являются широкие клиновые ремни. Вариаторы с широким клиновым ремнём с двумя регулируемыми шкивами стандартизованы (ГОСТ 22931-78) для мощностей 0,37…15 кВт при Д=4…5.

Клиноременные вариаторы наиболее просты и достаточно надёжны, благодаря чему они получили наибольшее распространение среди вариаторов в общем машиностроении. Их успешно применяют в металлорежущих станках, текстильных машинах, мотороллерах и специальных колёсных машинах повышенной проходимости в качестве бесступенчатых коробок передач.